A FAIPAR TUDOMÁNYOS FOLYÓIRATA SCIENTIFIC JOURNAL OF WOOD INDUSTRY lxi. évfolyam. 2013/1. szám Tudományos tartalom: A zselnicemeggy (Prunus padus) anatómiai és fizikai sajátosságai 5 Parabolikus napkollektor alkalmazhatóságának lehetőségei technológiai hő előállítására a faiparban 10 Fotoanalitikus módszerek használata a fafeldolgozás területén 15 Biomassza alapú kapcsolt energia előállításának lehetőségei faipari üzemeknél 20 Fa- és agripelletek tüzeléstechnikai tulajdonságaival összefüggő kutatások alapjai 28 Scientific content: Anatomical and physical characteristics of Hackberry (Prunus padus) 5 Utilization of parabolic solar collector for technology heat production in wood industry 10 Photoanalytical methods used in wood processing 15 Biomass based coupled energy production possibilities in wood industry 20 The basics of research related to firing properties of wood pellets and agri-pellets 28
PROLÓGUS PROLOGUE 3 A kiválóság a legjobb esélyünk Dr. Bejó László, oktatási dékánhelyettes, NymE Faipari Mérnöki Kar Az elmúlt időszakban viharos sebességgel követték egymást a felsőoktatás átalakításával kapcsolatos döntések. A jelenlegi oktatáspolitika álláspontja szerint melyben kiemelten támogatott a műszaki és az informatikai terület a Faipari Mérnöki Kar regionálisan és országosan fontos képzéseket folytat. A kar tisztában van a tehetséggondozás és a minőségi képzés szükségességével, emellett pedig fontos küldetésének tekinti, hogy a változó feltételek, a sok bizonytalanság között biztos pontként töltse be a szerepét, és szolgálja más területek mellett a faipari felsőoktatást, kielégítse a faipari mérnökök iránti igényt az egész országban. Megbízható, kiváló, az iparban is jól használható szakemberek képzésére, ehhez pedig jó képességű, szorgalmas hallgatókra van szükség. Ennek érdekében a kar munkatársai nagyszabású kezdeményezésbe fogtak, amelynek célja elsősorban a kiváló hallgatók megtalálása és támogatása a tanulmányaik kezdetén. A vállalati, alapítványi és önkormányzati összefogással megvalósuló program célja ösztöndíj alapítása a kiemelkedő felvételi eredménnyel rendelkező hallgatók számára, amellyel elősegíthetjük, hogy ezek a hallgatók kiegyensúlyozott, biztos anyagi háttér mellett a lehető legtöbbet tudjanak profitálni a tanulmányaikból. Az ösztöndíj a tanulmányok első évére szól. Ezt követően amennyiben a hallgatók továbbra is kiemelkedő teljesítményt nyújtanak a magas összegű tanulmányi ösztöndíj mellett köztársasági ösztöndíjra, illetve kiemelt egyetemi ösztöndíjra is pályázhatnak. E kiemelkedő hallgatóknak lesz lehetőségük az őket támogató ipari, szakmai partnerek megismerésére is, akikkel várhatóan szorosabb együttműködést is kialakíthatnak (pl. gyakornoki program vagy az egyetemi oktatást ipari tapasztalatokkal ötvöző, ún. duális képzés keretében) a további tanulmányok folyamán. A faipari mérnökök, illetve a fával is foglalkozó ipari termék- és formatervező mérnökök számára alapított Kiválóság a faipari felsőoktatásban ösztöndíjat a Faipari Egyetemi Kutatásért Alapítvány támogatásával sikerült megalapítani. Reméljük, minél több hazai szakember és vállalkozás érzi szívügyének a jól felkészült, kiváló faipari mérnökök képzését, és támogatja majd ezt a kezdeményezést. Amennyiben Ön, vagy cége szívesen hozzájárulna a kezdeményezéshez, megteheti ezt a Faipari Egyetemi Kutatásért Alapítványon keresztül, vagy közvetlenül is felveheti a kapcsolatot a Faipari Mérnöki Kar vezetőivel. Az érdeklődők bővebb információt a www.fmk.nyme.hu honlapon találhatnak, vagy közvetlenül Dr. Bejó László oktatási dékánhelyettestől kérhetnek (06 99 518 386, lbejo@fmk.nyme.hu). FAIPAR lxi. évf. 2013/1. szám» 2013. március «
4 TARTALOM CONTENT Prológus Prologue A kiválóság a legjobb esélyünk» Dr. Bejó L.«3 Tudomány Science A zselnicemeggy (Prunus padus) anatómiai és fizikai sajátosságai» Bak M. Börcsök Z. Molnár S. «Anatomical and physical characteristics of hackberry (Prunus padus)» M. Bak Z. Börcsök S. Molnár «Parabolikus napkollektor alkalmazhatóságának lehetőségei technológiai hő előállítására a faiparban» Csitári Cs. Németh G. «Utilization of parabolic solar collector for technology heat production in wood industry» Cs. Csitári G. Németh«10 Fotoanalitikus módszerek használata a fafeldolgozás területén» Boros J. Edelényi M. Pásztory Z. «Photoanalytical methods used in wood processing» J. Boros M. Edelényi Z. Pásztory «15 Biomassza alapú kapcsolt energia előállításának lehetőségei faipari üzemeknél» Borsos G. Kocsis Z. «Biomass based coupled energy production possibilities in wood industry» Borsos G. Z. Kocsis «20 Fa- és agripelletek tüzeléstechnikai tulajdonságaival összefüggő kutatások alapjai» Konrád K. Németh G. «The basics of research related to firing properties of wood pellets and agri-pellets» K. Konrád G. Németh «28 Élet Life Talentum program keretében megjelenő Cziráki József Faanyagtudomány és Technológiák Doktori Iskola új tankönyvek és jegyzetek» Horváthné Hoszpodár K.«35 Talentum támogatói oldal 37 5 Szerkesztői oldal Editorial 38
TUDOMÁNY 5 A zselnicemeggy (Prunus padus) anatómiai és fizikai sajátosságai* BAK Miklós 1, BÖRCSÖK Zoltán 2, MOLNÁR Sándor 1 1 NymE FMK Faanyagtudományi Intézet 2 NymE FMK Innovációs Központ Kivonat A szilvafélék alcsaládjába tartozó fafajok közül elsősorban a madárcseresznye (Cerasus avium) faipari felhasználásának van jelentősége napjainkban, emellett azonban figyelmet érdemel a hasonlóan esztétikus megjelenésű és tulajdonságú faanyagot szolgáltató zselnicemeggy (Prunus padus) is. Bár kisebb termete miatt felhasználása korlátozott, értékes faanyagról lévén szó, nem szabad mellőzni a feldolgozását. Ennek során azonban figyelembe kell venni, hogy a zselnicemeggy fizikai tulajdonságai némileg eltérnek a madárcseresznyéétől. Kulcsszavak: év fája 2012, anatómia, fizikai és mechanikai tulajdonságok Anatomical and physical characteristics of hackberry (Prunus padus) Abstract Among the species of the prunoideae subfamily bird cherry (Cerasus avium) is of primary importance in wood industry nowadays, however, hackberry (Prunus padus) deserves attention because of its similar aesthetic value and physical-mechanical properties, too. Although its utilisation is rather limited because of its smaller stature, the processing of this high value wood material should not be neglected. However, during the processing it has to be taken into consideration that the physical properties of hackberry slightly differ from that of bird cherry. Key words: tree of 2012, anatomy, physical and mechanical properties Bevezetés A szakmai kuratórium 2012 évben a zselnicemeggyet (Prunus padus) jelölte az év fájaként. A hegyvidéki és nedves termőhelyeken, valamint Észak-Európában gyakori, de hazánkban is előforduló fafajnak a faanyagtudományi feltárása ez idáig nem történt meg, így e munka keretében komplex faanatómiai és fafizikai vizsgálatsorozatot végeztünk. A zselnicemeggy külső morfológiai és erdészeti sajátosságait számos szakirodalom feldolgozta (Fekete és Blattny 1913; Gencsi és Vancsura 1997; Bartha 1999). A fafaj elsősorban a hegyvidéken és Európa északi tájain elterjedt, a májusfának is nevezett fát a skandináv országokban a tavasz hírnökének is tekintik. A faanyag anatómiai tulajdonságaira vonatkozóan Greguss (1945) és Schoch et al. (2004) végeztek értékes fénymikroszkópos vizsgálatokat. A faanyag fizikai-mechanikai jellemzőire szakirodalmi utalást nem találtunk. Gyakorlati tapasztalatok igazolják, hogy a meggyek fája jól hajlítható és szívós (pl. meggyfa botok). A madárcseresznyére vonatkozóan szélesebb körű a rendelkezésre álló szakirodalom (Wagenführ 1996; Molnár és Bariska 2002, Molnár et al. 2007). Érdemes megjegyezni, hogy az *A kutatás a Talentum Hallgatói tehetséggondozás feltételrendszerének fejlesztése a Nyugat-magyarországi Egyetemen c. TÁMOP 4.2.2.B-10/1-2010-0018 számú projekt keretében, az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. This research - as a part of the Development of Student Talent Fostering at WHU, TAMOP 4.2.2. B 10/1-2010-0018 project - was sponsored by the EU/European Social Foundation. The financial support is gratefully acknowledged. FAIPAR lxi. évf. 2013/1. szám» 2013. március «
6 TUDOMÁNY összehasonlításra figyelembe vett, közismert madárcseresznyére nem találtunk ütő-hajlító szilárdság értéket egyetlen szakirodalomban sem, ezért ennek megállapítására saját vizsgálatokat végeztünk. Vizsgálati anyagok és módszerek A vizsgálatokhoz a faanyagot a Nyugat-magyarországi Egyetem soproni botanikus kertjéből származó két törzsből nyertük. A vizsgálatok előtt a faanyagot szárítottuk, majd normál klímán (T=20 C; φ=65%) tároltuk az egyensúlyi nedvességtartalom beálltáig. A rostirányú nyomószilárdság vizsgálata A vizsgálatokat az MSZ EN 6786-8:1977 szabvány alapján végeztük. A vizsgálatokhoz 20 20 30 (sugár-, húr-, rostirány) mm nagyságú próbatesteket használtunk. A próbatestek száma 30 db volt. ahol: σ ny rostirányú nyomószilárdság [MPa] F max tönkremenetelhez szükséges erő [N] A a próbatest keresztmetszete [mm 2 ] [1] A hajlítószilárdság vizsgálata A vizsgálatokat az MSZ EN 6786-5:1976 szabvány alapján végeztük. A vizsgálatokhoz 20 20 300 (sugár-, húr-, rostirány) mm-es próbatesteket használtunk, az alátámasztási köz 240 mm volt. A próbatestek száma 30 db volt. ahol: σ haj hajlítószilárdság [MPa] F max maximális törőerő [N] l alátámasztási köz [mm] a a próbatest szélessége [mm] b a próbatest vastagsága [mm] [2] Az ütő-hajlító szilárdság vizsgálata A vizsgálatokat az MSZ EN 6786-7:1977 szabvány alapján végeztük Charpy-féle ütőmű segítségével. A vizsgálatokhoz 20 20 300 (sugár-, húr-, rostirány) mm-es próbatesteket használtunk, az alátámasztási köz 240 mm volt. A próbatestek száma minden menetrendnél 30 db volt. ahol: w ütő-hajlító szilárdság [ J/cm 2 ] W a tönkremenetelhez szükséges energia [ J] A a próbatest keresztmetszete [mm 2 ] [3] A keménység meghatározása A vizsgálatokat az MSZ EN 6786-11:1982 szabvány alapján végeztük. A vizsgálatokhoz 50 50 50 (sugár-, húr-, rostirány) mm nagyságú próbatesteket használtunk. A próbatestek száma 30 db volt. ahol: H B-M Brinell Mörath-keménység [MPa] F alkalmazott nyomóerő 500N D a próbatestbe nyomott acélgömb átmérője [mm] h a benyomódás mélysége [mm] [4] A sűrűség meghatározása A sűrűség meghatározásához 20 20 30 (sugár-, húr-, rostirány) mm-es próbatesteket használtunk. Ehhez a próbatestek sugár-, húr- és rostirányú méreteit határoztuk meg, valamint meghatároztuk a tömegeiket. A sűrűséget vizsgáltuk abszolút száraz, légnedves (T=20 C; φ=65%) és élőnedves állapotban is. A próbatestek száma 30 db volt. [5] ahol: ρ abszolút száraz, normál illetve élőnedves sűrűség [g/cm 3 ] m abszolút száraz, légszáraz illetve élőnedves tömeg [g] V abszolút száraz, légszáraz illetve élőnedves tömeg [cm 3 ] A dagadás meghatározása A vizsgálatokat az MSZ EN 6786-9:1989 szabvány alapján végeztük. Az alkalmazott próbatestek mérete 20 20 30 (sugár-, húr-, rostirány) mm volt. A próbatesteket 105ºC-on tömegállandóságig szárítottuk, majd meghatároztuk a sugár- és húrirányú méreteiket, valamint a tömegeiket. Második lépésként víz alatt történő tárolás után határoztuk meg a sugár- és húrirányú méreteiket, valamint tömegeiket, a tömegállandóság beállta után. A próbatestek száma 30 db volt. ahol: D h,s vonalas dagadási érték (húr, sugár) [%] l u nedves méret [mm] l 0 abszolút száraz méret [mm] [6]
TUDOMÁNY 7 Eredmények A fatest mikroszkópos jellemzői Fénymikroszkópos metszeteit az 1. ábra mutatja be, míg a pásztázó elektronmikroszkópos felvételeit a 2. ábrán láthatjuk. Elkülönítése a madárcseresznyétől (Cerasus avium) alig lehetséges, lényeges különbség azonban, hogy a rosttracheidák szinte hiányoznak. A fatest alapállományát vastag falú libriform rostok adják (45-50%). Az edények területi részaránya 35-38%, átmérőjük a korai pásztában 70-80, a későiben 30-40 µm. A két pászta között az átmenet fokozatos. Az edények falain spirális vastagodás figyelhető meg, mely tipikusan szélesen tagolt. Az edényáttörés teljes. Az edények állhatnak önállóan, elszórtan az alapszövetben, vagy néhány tagú likacssugárba rendeződve. Az edények esetenként vörösbarna mézgával telítettek. A parenchimasejtekből felépülő bélsugarak mennyiségi részaránya 17%, szabad szemmel is láthatóak a sugármetszeten. A bélsugarak általában 2-4 sejtsor szélesek, de gyakori az egy sejtsor széles bélsugár is, ami jól elválasztja a madárcseresznyétől. Ritkán előfordulhat 5-6 sejtsornál szélesebb bélsugár is. A bélsugarak magassága általában 15-30 sejt. A többsoros bélsugarakban gyakran négyzet alakúak a bélsugársejtek, a madárcseresznyében ritkábbak a négyzet alakú sejtek, inkább megnyúltak. A bélsugársejtek között gyakran találni olyanokat, melyek vékony falúak és nagyon szűk sejtüregűek szemben a többi meggyfélével. A hosszparenchimák részaránya igen alacsony (2-3%), elrendeződésük szórt, apotracheális. A fatest makroszkópos jellemzői Makroszkópos elkülönítése a madárcseresznyétől nehézkes, elsősorban a kéreg, valamint az élő fa morfológiai jegyei alapján lehetséges. Szijácsa sárgásfehér, 3-5 cm széles. Gesztje világos vörösesbarna, esetenként zöldesbarna csíkoltsággal (3. ábra). A sugármetszeti csíkos és a húrmetszeti flóderos rajzolat a jól elkülönülő évgyűrűknek és pásztáknak köszönhető. A zöldesbarna árnyalat a korai pászta nagyobb méretű edényeinek a színhatása. Az ún. félig gyűrűslikacsú fafajok közé tartozik, mivel a korai pászta közepes nagyságú edényei nem alkotnak olyan szabályos köröket, mint ahogy az megfigyelhető az igazi gyűrűslikacsú fafajoknál (pl. tölgy, kőris, akác). Keskeny bélsugarai a keresztmetszeten és a húrmetszeten csak nagyítóval láthatók, a sugármetszeten pedig 0,5-1 mm magas bélsugártükrök formájában. A világos, enyhén rózsaszín árnyalatú, finomszövetű fát markáns rajzolata teszi igazán esztétikussá. A kéreg sötétszürke, sokáig sima, idős korban hoszszanti irányban sekélyen repedezetté válik, de vastag héjkéreg nem alakul ki (3. ábra). A háncs megsértve kellemetlen, kesernyés illatú. Fahibák, károsodások, tartósság Kedvezőtlen alaki tulajdonságai miatt (gyakori görbeség, kis méret) faipari felhasználása korlátozott. Már az élő fát is könnyen megtámadják a farontó gombák. A kitermelt faanyag nem időjárásálló és fülledékeny. Ügyelni kell tehát a gyors feldolgozásra, szakszerű tárolásra. 1. ábra A zselnicemeggy kereszt-, húr- és sugármetszete (fénymikroszkóp) (Schoch et al. 2004) Figure 1 Cross, tangential and radial sections of Hackberry (light microscope) FAIPAR lxi. évf. 2013/1. szám» 2013. március «
8 TUDOMÁNY 2. ábra A zselnicemeggy pásztázó elektronmikroszkópos felvétele, balra keresztmetszet ( 30), jobbra húrmetszet ( 250) Figure 2 Scanning electron microscope images of Hackberry, cross section ( 30) on the left and tangential section ( 250) ont he right 3. ábra A zselnicemeggy fája (balra) és kérge (jobbra) Figure 3 The wood (left) and the bark (right) of Hackberry Fizikai és mechanikai tulajdonságok A kutatómunka összesített eredményeit összehasonlítva az ismert madárcseresznyével az 1. táblázatban ábrázoltuk. A zselnicemeggy puha, közepes sűrűségű, ennek megfelelően közepes szilárdságú faanyaggal rendelkezik. Fizikai-mechanikai jellemzői a madárcseresznyéétől elmaradnak. A száraz zselnice átlagosan 10%-kal könnyebb, de nedvesen azonos tömegű a madárcseresznyével. Az élőnedves nedvességtartalom 80% körüli értéket is elér. A faanyag dagadási anizotrópiája (húr- és sugárirányú dagadás hányadosa) igen magas (~2,22), messze meghaladja a madárcseresznye értékét (~1,74). Tehát a zselnicéből vágott fűrészáru és egyéb termékek igen hajlamosak a vetemedésre. Az ütő-hajlító szilárdság értékeit nem tudtuk összehasonlítani a cseresznye irodalmi adataival, így saját vizsgálatokat végeztünk. Ütő-hajlító szilárdság tekintetében a madárcseresznye és a zselnicemeggy értékei közel azonosak, és a kapott értékek közel állnak a tölgyekéhez. A sűrűséghez hasonlóan a zselnicemeggy szilárdsági értékei is átlagosan 10%-kal maradnak el a madárcseresznyéétől. Eltérő tulajdonsága a zselnicemeggynek, hogy a keménysége jelentősen (~40%) marad el a madárcseresznyétől, így ilyen szempontból a puhafák közé sorolandó. Megmunkálási sajátosságok A zselnicemeggy megmunkálási sajátosságaira irodalmi adatokat nem találtunk. Így a próbatestek készítésekor szerzett tapasztalatok, a vizsgált fizikai, mechanikai tulajdonságok és a hasonló madárcseresznye jellemzői (Molnár, Bariska 2002) szolgáltak megállapításaink alapjául. Feldolgozásakor tekintettel kell lenni a faanyag fülledékenységére, gyenge biológiai tartósságára. Ügyelni kell a szakszerű tárolásra és az alapanyag gyors feldolgozására. Kültéri felhasználása nem javasolható. Körültekintő szárításszervezéssel, kíméletes menetrendek alkalmazásával problémamentesen szárítható. Vetemedésre hajlamos, ezért
TUDOMÁNY 9 1. táblázat A zselnicemeggy és a madárcseresznye fizikai és mechanikai tulajdonságai Table 1 Physical and mechanical properties of Hackberry and bird cherry tárolásakor nagy figyelem fordítandó a hézaglécezésre. Könnyen, jó minőségben, méretpontosan fűrészelhető, gyalulható, marható, csiszolható, esztergályozható. Repedésmentesen, könnyen szegezhető, csavarozható. Ragasztása szintén problémamentes. Felhasználási területek Faanyaga a madárcseresznyével közel azonos területeken használható fel, azonban méretbeli korlátai a felhasználási területet is szűkítik. Kisméretű bútorok készítésénél az értékes madárcseresznye kiváltására alkalmas lehet. Készíthetőek belőle székek, asztalok, különböző kisbútorok. A belsőépítészetben kiválóan alkalmazható exkluzív fal- és menynyezetburkolatok, korlátok, reprezentatív lakberendezési elemek kialakítására. Mivel jól faragható, esztergályozható, kiterjedten használható dísztárgyak, különböző fatömegcikkek előállítására, sőt hangszerek (pl. fafúvók) gyártására is. Összefoglalás A szakmai kuratórium 2012-ben a zselnicemeggyet (Prunus padus) jelölte az év fájaként. Elkülönítése a madárcseresznyétől (Cerasus avium) mikroszkópos módszerekkel alig lehetséges, egyetlen lényeges különbség a rosttracheidák hiánya. Makroszkópos elkülönítése a madárcseresznyétől szintén nehézkes, elsősorban a kéreg, valamint az élő fa morfológiai jegyei alapján lehetséges. A zselnicemeggy puha, közepes sűrűségű, ennek megfelelően közepes szilárdságú faanyaggal rendelkezik. Alaktartóssága közepes, fája vetemedésre hajlamos. Fizikai-mechanikai jellemzői a madárcseresznyéétől elmaradnak. Felhasználásánál tekintettel kell lenni fülledékenységére és fokozott vetemedési hajlamára. Faanyaga a madárcseresznyével közel azonos területeken használható fel, azonban méretbeli korlátai a felhasználási területet is szűkítik. A felsorolt széleskörű felhasználhatóság is jól érzékelteti, hogy a zselnicemeggy elsősorban mivel bizonyos korlátok között alkalmas az értékes madárcseresznye kiváltására a jelenleginél nagyobb figyelmet érdemelne mind az erdőgazdálkodás, mind a fafeldolgozás részéről. Irodalomjegyzék Bartha D. (1999) Magyarország fa- és cserjefajai. Mezőgazda Kiadó, Budapest, pp. 302 Gencsi L., Vancsura R. (1997) Dendrológia. Erdészeti növénytan II. Mezőgazda Kiadó, Budapest, pp. 414-420. Greguss P. (1945) Bestimmung der Mitteleuropäischen Laubhölzer und Sträncher auf xylotomischer Grundlage. Természettudományi Múzeum, Budapest. Fekete L., Blattny T. (1913) Az erdészeti jelentőségű fák és cserjék elterjedése a magyar állam területén. pp. 793. Molnár S., Bariska M. (2002) Magyarország ipari fái. Szaktudás Kiadó Ház, Budapest, pp. 118-122. Molnár S., Peszlen I., Paukó A. (2007) Faanatómia. Szaktudás Kiadó Ház, p. 199. Schoch W., Heller I., Schweingruber F. H., Kienast F. (2004) Wood anatomy of central European species. Online verzió: www.woodanatomy.ch Wagenführ R. (2006) Holzatlas. Carl Hanser Verlag München Wien, pp. 243-244. FAIPAR lxi. évf. 2013/1. szám» 2013. március «
10 TUDOMÁNY Parabolikus napkollektor alkalmazhatóságának lehetőségei technológiai hő előállítására a faiparban* CSITÁRI Csaba 1, NÉMETH Gábor 1 1 NymE FMK Gépészeti és Mechatronikai Intézet Kivonat A faiparban a hőenergia-igényes technológiáknál fontos szempont az energiatakarékosság. Az üzemek előszeretettel fedezik technológiai hő szükségletüket a termelés során keletkező hulladékokból. A faanyag árának emelkedése miatt a gyártástechnológiák során egyre kevesebb hulladék keletkezik, így ma már sok helyen nem elég a fahulladékból termelt energia. Ezeket többnyire fosszilis energiahordozókból pótolják. Külföldön terjed az ipari létesítmények energiaellátása megújuló energiákból. A kutatásban az egyik fő szempont volt a fókuszáló napkollektorok alkalmazhatóságának vizsgálata a faiparban előforduló, hőenergia-igényes technológiai folyamatokban, kiemelten a faanyag szárítási eljárásában. Kulcsszavak: hő, parabolikus napkollektor, faipar, megújuló energia Utilization of parabolic solar collector for technology heat production in wood industry Abstract In wood industry, energy saving is of high importance in technologies with massive heat energy demand. Factories prefer to cover their thermal energy needs from waste produced during the production process. Because of the increasing wood raw material costs, processing technologies generates less and less wastes. Thus, in many places the energy produced from wood chips or waste are not enough. In most cases, the arising energy deficit is replaced by fossil fuels. In other countries, the number of industrial facilities powered by renewable energy is increasing. One of the main aspects of the research was to evaluate the utilization possibilities of solar panels in wood industry, in technological processes with high heat energy demand, particularly in the wood drying process. Key words: heat, parabolic solar collector, wood industry, renewable energy Bevezetés Minden iparágnak egyik fontos, ha nem a legfontosabb kérdése az energiaellátás. Az energiaárak folyamatos növekedése miatt az ipar szereplői lassan, de biztosan rákényszerülnek a megújuló energiák használatára. A faipart a többi iparághoz képest kisebb volumenű termelés jellemzi, ezért az iparág nem tudja olyan hatékonysággal beépíteni az energiaár-növekedést a termékek árába, mint a többi iparág esetében. Ezért fontos a megújuló energiák bevezetése a faipari technológiákban. Számtalan lehetőség van a megújuló energiák felhasználására. Az egyik ilyen energiaforrás már el is terjedt, sőt régóta jelen van a biomassza képében. A faipari üzemek régóta használják a faalapú hulladékukat energiatermelésre. Sajnos egy üzem teljes hőenergia-ellátását nehezen lehet csak fahulladék- *A kutatás a Talentum Hallgatói tehetséggondozás feltételrendszerének fejlesztése a Nyugat-magyarországi Egyetemen c. TÁMOP 4.2.2.B-10/1-2010-0018 számú projekt keretében, az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. This research - as a part of the Development of Student Talent Fostering at WHU, TAMOP 4.2.2. B 10/1-2010-0018 project - was sponsored by the EU/European Social Foundation. The financial support is gratefully acknowledged.
TUDOMÁNY 11 ból fedezni, szükség van további energiaforrásra. Ezt többnyire földgázból, illetve speciális technológiáknál villamos energiából lehet fedezni. Ez a tanulmány azt vizsgálja, hogy milyen módon lehetne integrálni egy technológiai folyamatba a napenergiát. A napenergia A napból érkező energia a mozgatórugója majdnem minden földi fizikai és biológiai ciklusnak, beleértve az időjárási folyamatokat, a növényi, emberi és állati életet. A legtöbb megújuló energiaforrás is átalakított napenergia. A nap energiája ultraibolya, látható és infravörös fény formájában érkezik a földre. A földre érkező sugárzás nagy része a természeti körforgásokra fordítódik, de egy részét felfoghatjuk és felhasználhatjuk energiatermelési célokra. A napban végbemenő termonukleáris reakció hatására energia szabadul fel, amely a nap felületéről sugárzás formájában távozik a világűrbe. Az évente lesugárzott energia értéke 1,2x10 34 J, amely kb. ± 1%-on belül állandó. Földünkre ebből a hatalmas energiából 2x10 24 J jut évente. A föld pályájának excentricitása miatt ez az energia éves viszonylatban kb. ± 3%-kal változik (Ujfaludy 2003). Fókuszáló napkollektorok bemutatása Augustin Mouchot matematikus professzor húsz év fejlesztő- és kutatómunka után vonal fókuszú napkollektoros berendezést fejlesztett. Célja az volt, hogy olyan berendezést alkosson meg, ami egy gőzgépet is meg tud hajtani. 1874-ben mutatta be a napkövető óraművel ellátott csonka kúp alakú napkollektorát. A kazánt kívülről üvegborítással látta el az üvegházhatás biztosítása céljából. A 2,5 m átmérőjű reflektortükör szegmensekből készült. Ez a berendezés működtetett egy 386 W-os gőzgépet. Algériában építette fel minden korábbinál nagyobb napkazánját, amelynek csonka kúp alakú reflektora 5 m átmérőjű volt. A kazánt az 1878. évi párizsi világkiállításon is bemutatták (1. ábra). A berendezés gőzgépet működtetett, amely óránként több mint 2000 liter vizet szivattyúzott. Ugyanezzel a berendezéssel alkoholt desztilláltak, ételeket főztek, sőt egy hozzákapcsolt hűtőberendezés segítségével jégkockákat is előállítottak (Rédey 2009). Alapvetően két fajta fókuszáló napkollektort különböztetünk meg: parabola-vályús napkollektorok (röviden: PVN) parabola-tányéros napkollektorok (röviden: PTN) A legegyszerűbb, legelterjedtebb rendszerek a parabola-vályús napkollektorok. A sugárzást a parabolavályúk gyűjtik össze (2. ábra), majd a kollektorcsőbe vezetik, ahol olaj, illetve egyéb hőközlő folyadék áramlik. Ezen a szakaszon kb. 400 C van. Energiaátalakítási hatékonysága 20 30% körül mozog. Alkalmazható hőenergetikai és kogenerációs rendszerek primer energia forrásaként. A világon az egyik legelterjedtebb rendszer. Ennek okai a bővíthetőség és a többi energetikai rendszerhez képest kisebb beruházási költségek. További előnyként említhető, hogy olyan intenzív napsütésnek kitett területekre (pl.: sivatag) is telepíthető, ami mezőgazdasági célokra nem használható. A parabolikus-tányéros napkollektor működési elve nagyon hasonló a vályús rendszeréhez, csak itt nem vonal mentén történik a napsugarak elnyelődése, hanem a parabolatányér valódi fókuszpontjába helyezett 1. ábra Mouchot napenergiával fűtött kazánja az 1878. évi párizsi világkiállításon Figure 1 Mouchot s solar generator displayed at the Universal Exhibition, Paris in 1878 2. ábra Vályús-parabolikus napkollektor (Forrás: Greenpeace, 2004) Figure 2 Solar trough (Source: Greenpeace, 2004) FAIPAR lxi. évf. 2013/1. szám» 2013. március «
12 TUDOMÁNY kollektoron. A rendszer konverziós hatásfoka 40% körül van, ami a szolártechnológiánál már kielégíthetőnek mondható. A fókuszpontban akár 20 000 C is lehet. A kollektor (elnyelő) felület viszonylag kicsi, és a hőátadó közeg többnyire termoolaj. Az ilyen rendszereket elsősorban meleg víz előállítására lehet használni. A legfejlettebb eszközöknél a fókuszpontban Stirling-motor van elhelyezve, így a hőenergia villamos energia konverzió direkt kapcsolatban történik. Itt az összhatásfok akár elérheti a 40 50%-ot is. Ilyen típusú kollektort mutat be a 3. ábra. Hőigényes faipari technológiák bemutatása A faipari gyártásfolyamatokban számos olyan technológia van, amihez nélkülözhetetlen a hőenergia használata. A faipari hőigényes technológiák közül olyan folyamatokat kellett kiválasztani, ahol termo-hidraulikus rendszerrel is lehet biztosítani a szükséges hőmennyiséget és nincs szükség villamos melegítő berendezésekre. Ezek a technológiák az alábbiak: hőpréselés; a fa hajlítása; a fa szárítása. A három technológia közül a legrészletesebben a szárítás került bemutatásra (Takáts 2004, Szabó 2003, Szabó 2001). Mivel a faiparban a konvekciós szárítás a legelterjedtebb, ezért a kutatás az ilyen típusú rendszerek hőenergia-szükségletét vizsgálta. Fontos szempont volt az is, hogy a Gépészeti és Mechatronikai Intézet kutatásában is egy ilyen típusú szárító berendezés lett felszerelve hőmennyiség mérővel. Ez a tesztkörnyezet biztosította a kutatáshoz szükséges energetikai alapadatokat. A szárításhoz szükséges hőenergia igény meghatározása Első lépésben a szárítandó fafaj került kiválasztásra. A választás a tölgyre esett, hiszen a tesztkörnyezetben is ilyen faanyagot szárítanak. Második lépésben az elméleti hőmennyiség került meghatározásra (2258 MJ), ami 1 m 3 tölgy faanyag szárításához szükséges (Takáts 2004). Ezek után kiválasztásra került a szárítási technológia szempontjából egy kedvezőtlen időszak (2010.10.14. 2010.11.12.) (Varga et al 2011). A tesztkörnyezetben mért adatok feldolgozásával nyert szárításhoz szükséges hőmennyiség értékei (2124 MJ) nagy pontossággal követik az elméleti számítások eredményeit. Egyedi tervezésű, kísérleti fókuszáló napkollektor termohidraulikus rendszerének bemutatása A kutatás kezdetén az a döntés született, hogy meg kell építeni egy fókuszáló napkollektor prototípusát (4. ábra). Fontos szempont volt, hogy saját mérésekkel is alátámasszuk a szakirodalmakban fellelhető műszaki adatokat. A tányér egy 1460 mm átmérőjű, hagyományos parabolaantenna, 2 mm alumínium lemezből. Az antenna homorú oldala ORACAL 352 típusú tükörfóliával lett beborítva. A fólia kültéri dekorációs célokra lett kifejlesztve, így jó méretstabilitással rendelkezik és az időjárás állósága is kiváló. A hőcserélőt egyedi állványszerkezetből készült konzolos váz pozícionálja a fókuszpontba. Továbbá biztosítja a tartóoszlophoz való stabil kapcsolódást és hordozza az antennát. A napból visszavert sugárzást a kollektor nyeli el, amely a parabola fókuszpontjában van elhelyezve. A kollektor adja át a munkaközegnek (termoolaj) a hőenergiát. Ezt a felmelegített közeget egy szivattyú továbbítja hőálló PTFE (poli-tetrafluor-etilén) tömlőkön keresztül a hőcserélő berendezéshez. Ez a tömlőanyag képes nagy hőmérsékletű (~350 C) olajok szállítására jelentős károsodás nélkül. Az acélszövettel bevont és 3. ábra Fókuszáló napkollektor (Forrás: Greenpeace, 2004) Figure 3 Solar parabolic dish (Source: Greenpeace, 2004) 4. ábra A parabolatányér és a kollektor kialakítása (Forrás: saját kép) Figure 4 The developed solar thermal collector dish
TUDOMÁNY 13 szabványos csatlakozóval szerelt tömlők alkalmazása mind hőtechnikai, mind biztonságtechnikai szempontból indokolt volt kísérleti napkollektornál. Fókuszáló napkollektor által hasznosítható hőenergia meghatározása napsugárzás-szimulációs méréssel Mérés célja: napfény hiányában napkollektor hőátadásának mérése reflektoros megvilágítás mellett. Adott térfogatú termoolajat keringetünk át a rendszeren. A rendszerben az elemek szigeteletlenek. A napsugárzás modellezésére egy 2000 W-os, Philips Tempo4- RVP451 típusú reflektor szolgáltatta a sugárzási energiát. A termoolaj hőmérséklet-különbségét egy VOLTCRAFT IR-SCAN-350RH típusú infra hőmérővel mértük a kollektor ki- és belépő csőszakaszának az erre a célra kialakított felületén. A termoolaj kezdeti hőmérséklete megegyezett a labor hőmérsékletével T kiindulási =28 C. A mérés során elért legmagasabb hőmérséklete az olajnak T maximum =327,5 C. A mérési folyamat közben a termoolaj-hőmérséklet veszélyesen megközelítette a megengedhető legnagyobb technológiai hőmérsékletet (350 C) (5. ábra). Az olajhőmérséklet emelkedésére fordított energia (Milus 2009): ahol: c a termoolaj fajhője, q a rendszerben keringő olaj tömegárama [kg/cm 3 ], V az olaj térfogata [cm 3 ] [1] A kollektor hatásfokának meghatározása: A besugárzásra használt energia: E ö =2000 Wh Az olajhőmérséklet emelkedésére fordított energia: Q 1 =324,7 Wh [2] ahol: E veszteség az az energiamennyiség, ami nem az olaj melegítésére fordítódik. Ez az energia melegíti a szivattyút, olajvezetékeket, a vázat és a hőcserélőt. Az energiaveszteség az alábbi összetevőkre bonthatók: [3] ahol: E kisugárzott az az energia, amelyet a reflektor nem a kollektor irányába ad le. 5. ábra A hőmérséklet-alakulás a termo-hidraulikus rendszerben Figure 5 Temperature in the thermo hydraulic system E konvekciós az az energia, amelyet a reflektor, kollektorburkolat és a csővezetékek körül beinduló légáramlások elvonnak a rendszertől, azaz hűtik. E elsugárzott az az energia, amelyet a reflektor elsugároz a kollektor mellett, ezzel analóg jelenség a parabolatükör tökéletlen fókuszálásából fakadó nem pontszerű fókuszálás. A reflektor esetén a kollektor irányába sugárzó felület: [4] A kollektor besugárzott felülete: A kollektor =113,1 cm 2 Geometriai megfontolások alapján belátható, hogy a besugárzási részhatásfok: [5] Az olaj melegítésének a hatásfoka az alábbi módon fejezhető ki: [6] ahol: η a rendszer hatásfoka. A hatásfok az alábbi módon számítható: ahol: η 1 a besugárzási részhatásfok, η n a rendszer részhatásfokai. [7] A legszembetűnőbb veszteség a reflektor elsugárzásából, az ún. besugárzási veszteségből fakad. Így: [8] Tehát 628 Wh energia tud az olaj melegítésére fordítódni (eltekintve a többi veszteségtől). A kollektor technikai hatásfoka: [9] Fontos megjegyezni, hogy számos paramétert idealizáltunk. A rendszer teljes termikus hatásfokának FAIPAR lxi. évf. 2013/1. szám» 2013. március «
14 TUDOMÁNY meghatározása még hátra van. Az irodalmak áttekintése után és a saját tapasztalataink alapján a rendszer összhatásfoka η össz =40-60% körül fog alakulni. Így a továbbiakban 50%-os hatásfokkal lett figyelembe véve a rendszer teljesítménye. A napkollektor adott időszakban (2010.10.14. 2010.11.12.) termelt hőmennyiségének felhasználhatósága a szárítási folyamatban A koncentrált energiatermelés szempontjából nem a legmegfelelőbb a fenti időintervallum, hiszen ez már a téli időszakba esett. Az októberi értékek azért ilyen magasak, mert 2010-ben kiemelkedően napsütéses volt a hónap. A novemberi értékek már jelentősen kisebbek. A napsugárzási adatoknak a középértékét vettük a számításokhoz (1. táblázat). Közepes beeső energiával számolva: E beeső = 153 kwh = 550,8 MJ Ez az elméleti energiamennyiség, amit az adott időszakban el tudna nyelni a kollektor. Ha a kollektor valódi hatásfokát vesszük η kollektor =51,7%, akkor a felhasználható hőenergia az alábbiak szerint alakul: [10] Elmondható hogy 1 m 3 faanyag szárításához szükséges energiának a 13,41%-át tudná fedezni a prototípus fókuszáló napkollektor. Ezek az értékek nem 1. táblázat A napkollektorunk felületére besugárzott hőenergia Table 1 Thermal energy irradiated at the surface of the solar collector támasztanák alá a rendszer hatékonyságát, de ha figyelmesen tanulmányozzuk a 1. táblázatot, láthatjuk, hogy a nyári hónapokban akár a hőszükséglet 50-60%-át is tudná a napkollektor biztosítani. Egy 80 m 3 -es szárítónál a kb. 140 m 2 parabolikus felületre lenne szükség, ha 50%-os hőrásegítést akarunk elérni. A hatásfok növelésének lehetőségei, hogy szigeteljük a napkollektor berendezéseit és a termo-hidraulikus rendszer áramlási viszonyait optimalizáljuk. További hatásfoknövekedés érhető el hőtároló puffer tartályok telepítésével, krómozott parabolikus felületek alkalmazásával, továbbá egy automatizált, precíziós napkövető rendszer alkalmazásával. Következtetések A kutatás célja az volt, hogy megvizsgáljuk azokat a hőigényes technológiákat a faiparban, amelyhez egy fókuszáló napkollektor-rendszert lehetne illeszteni energiarásegítés céljából. A legnagyobb hőigényű technológia a szárítás, így kézenfekvőnek tűnt ennek vizsgálata. Mivel a konvekciós szárításnál is elsősorban termo-hidraulikus rendszer segítségével történik a hőátadás, ezért könnyebb lehet a napkollektorok hőenergiájának a betáplálása. Először elméleti úton meghatároztuk 1 m 3 faanyag szárításához szükséges hőenergia mennyiségét. Majd a kísérleti környezet adatai kerültek kiértékelésre. Ezzel párhuzamosan történtek a parabolikus napkollektor teljesítmény- és hatásfok mérései. Az adatok birtokában arra a következtetésre jutottunk, hogy a legrosszabb körülmények között is képes lehet a fókuszáló napkollektor 13,41%-ban fedezni a szárítási hőszükségletet az adott konvekciós szárítónál. Gyakorlati megállapításokat tettünk arra nézve, hogy egy 80 m 3 nettó szárítási kapacitású konvekciós szárítóhoz mennyi parabolikus felületet kell telepíteni ahhoz, hogy a szükséges hőenergia 50%-át a napenergiából lehessen fedezni. Közlemény A kutatás a Környezettudatos energiahatékony épület című TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0068 számú projekt, valamint a Talentum Hallgatói tehetséggondozás feltételrendszerének fejlesztése a Nyugat-magyarországi Egyetemen című TÁMOP 4.2.2.B-10/1-2010-0018 számú projekt keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális alap társfinanszírozásával valósult meg. Irodalomjegyzék Milus B. (2009) Fókuszált napenergia és annak hasznosítási lehetőségei. Szakdolgozat pp. 36-42 Budapest
TUDOMÁNY 15 Rédey S. (2009) Telkes Mária az ismeretlen napkirálynő. Természet Világa 2009/3 Szabó I. (2001) Mechanikai Megmunkálás és Kárpitozás A. kötet: Mechanikai Megmunkálás a Bútor - és Épületasztalos Iparban; pp.125-126.; Sopron Szabó I. (2003) Ragasztás és Felületkezelés A. kötet: Ragasztási Műveletek és Eljárások; pp. 62-64. Sopron Takáts P. (2004) Szárítás és Gőzölés. Sopron Ujfaludy L. (2003) A napenergia-hasznosítás rövid története. Fizikai Szemle 2003/3; 99.o. Varga M., Németh G., Kocsis Z., Bakki-Nagy I. (2011) Fafeldolgozó üzem energiafelhasználásának feltárása, hő- és villamos energia mérlegek készítése. Komplex energiagazdálkodási új eljárás és modell kidolgozása. Tanulmány, Sopron Fotoanalitikus módszerek használata a fafeldolgozás területén* BOROS János 1, EDELÉNYI Márton 1, PÁSZTORY Zoltán 2 1 NymE FMK Informatikai és Gazdasági Intézet 2 NymE FMK Innovációs Központ Kivonat Az erdőgazdálkodás és fahasznosítás során a növedékfokozó és törzskiválasztó gyérítéseknél, valamint a végfelhasználáskor is keletkezik kisebb átmérőjű hengeres faválaszték, azaz sarang. A teljes kitermelt famennyiség 40-75%-a is lehet sarang, ami függ fafajtól, termőhelytől és felhasználástól. Magyarországon ez évente mintegy három és fél millió köbméter nyersanyagot jelent (Pásztory et al. 2010). Az ilyen anyag feldolgozása eltérő az értékesebb rönkfáétól: gyakran papíripari, lemezipari célokra, de egyre nagyobb arányban tűzifaként is hasznosítják. A mennyiségi arányok miatt nagy piaci részesedést és ezzel járó pénzügyi forgalmat jelent a sarang faanyaggal kapcsolatos tevékenység. A modern technológiák világában elengedhetetlen, hogy minél pontosabban és egzaktabb módon tudjuk meghatározni a fa mennyiségét. A Nyugat-magyarországi Egyetem Faipari Mérnöki Karán folyó kutatás eredményeként egy informatikai eszközökkel támogatott rendszert fejlesztettünk ki. Az új fotoanalitikus felmérő rendszer segítségével a hagyományos módszereknél pontosabban és gyorsabban határozható meg a faanyag tömör mennyisége a rakatban. Kulcsszavak: fafeldolgozás, fotoanalitika, sarang, hengeres faválaszték Photoanalytical methods used in wood processing Abstract Wood logs with smaller diameter, so called stacked wood, are produced in forest management and wood utilization during trunk selection, increment thinning as well as end utilization. The stacked wood volume could reach even 40-75% percent of the total yield depending on the wood species, forest site and utilization. Stacked wood volume is between three and three and a half million cubic meters per year in Hungary (Pásztory et al. 2010). Processing of this wood material varies from that *A kutatás a Talentum Hallgatói tehetséggondozás feltételrendszerének fejlesztése a Nyugat-magyarországi Egyetemen c. TÁMOP 4.2.2.B-10/1-2010-0018 számú projekt keretében, az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. This research - as a part of the Development of Student Talent Fostering at WHU, TAMOP 4.2.2. B 10/1-2010-0018 project - was sponsored by the EU/European Social Foundation. The financial support is gratefully acknowledged. FAIPAR lxi. évf. 2013/1. szám» 2013. március «
16 TUDOMÁNY of the logs of higher value. It is used in paper and particle board industry and in rising amount as fire wood. Because of the high volume, stacked wood related activities cover high ratio of the market and the related turnover. The exact measurement of stacked wood amount is indispensable these days when modern technologies are available. A new survey system supported by information technology was developed at the Faculty of Wood Science, University of West Hungary. With the new photoanalytical survey system the mass volume of stacked wood can be measured more accurate and faster compared to the traditional methods. Key words: wood processing, photo analysis, stacked wood, cylindrical wood selection Bevezetés Az erdőgazdálkodásban a sarangolt választékok mennyiségi meghatározása űrméterben vagy tömör köbméterben történik. A két mértékegység között egy átszámítási tényező segítségével váltják át az értékeket. Ezeket az átszámítási értékeket mérésekkel és statisztikai számításokkal alakították ki a 19. század első felében, majd később differenciálták őket különböző választékokra. Az elmúlt évtizedekben a választékok száma lecsökkent és a legtöbb esetben ugyanazt a választékot állítják elő a termelők különböző hoszszúságban. Ezen felül az erdőállományok minősége, mérete és korösszetétele is kedvezőtlenül változott. Az űrméter és a tömör köbméter közötti átszámítási tényező több bizonytalanságot hordoz, többek között azért, mert az ideális hengeres alakú faanyagból több fér egy űrméterbe, mint a görbe ágfából. A kitöltési értéket befolyásolják még az összerakás milyensége, az ágak levágási helyei, a fafaj, az átmérő tartomány és az alaki tényező is. Mindezen bizonytalanságok hatására ugyanabba a térfogatba különböző mennyiségű fa kerülhet, miközben a nyilvántartásban ugyanaz az adat kerül. Méréseink során akár 12-20%-os eltérést is tapasztaltunk az egyedi köbözéshez képest és ez jelentős anyagi veszteséget jelenthet az értékesítő cég számára. A felmérés során a legpontosabb eredményt az egyedi köbözés módszere szolgáltatja (Bedő 1875). Ugyanakkor kis túlzással fizikai képtelenség minden egyes darabot egyenként felmérni a sarangban. A gyakorlatban a felmérés átlagolással történik. A rakomány (vagy sarang) hosszát, illetve több helyen a magasságát megmérik, és ezen adatokból kapnak egy felületértéket. Ezt a számot a kivágott faanyag hosszával szorozva kapják az űrméter térfogatot. Az említett átszámítási tényező segítségével határozzák meg a rakomány vagy rakat tömörfa mennyiségét. Jelenleg a cégek saját átszámítási tényezőkkel dolgoznak, ezeket próbálják érvényesíteni a saját áruforgalmukban. Kutatásunk során olyan megállapításra jutottunk, hogy modern informatikai eszközök segítségével pontosabb módszereket is lehet alkalmazni. Felmérve az egyes rakatok saját tömör faanyag tartalmát, kiküszöbölnénk, de legalábbis enyhítenénk a jelenlegi rendszer hibáit és hiányosságait. A szállítás során a faanyag mennyiségét fel kell tüntetni a szállítólevélen. Ez egyrészt kötelező a közúti közlekedés szabályai miatt, másrészt így tudják ellenőrizni az átadott famennyiséget. Tapasztalataink szerint az átadás-átvétel akkor sem mindig feszültségmentes ügylet, ha az átadó és az átvevő egy céghez tartozik. Eltérő cégek esetén pedig az ellentétes érdekeltség nyilvánvalóan a feszültség gócpontja. Az eladó cég minél nagyobb mennyiségű árut akar papíron feltüntetve eladni, míg az átvevő minél kevesebb faanyagot kíván átvenni szintén papíron. Ha a mérési módszer hibája viszonylag magas, akkor az könnyebben adhat okot a vitára, ellenben egy pontos mérési módszer esetén mind a vevő mind az eladó elégedetten fogadhatja el az adatokat. Korábban is voltak már törekvések arra, hogy valamilyen egzakt módon, akár fényképek alapján legyen meghatározva a tényleges köbméter egy sarangon belül. Keepers már 1941-ben papírra vetett egy, a kor technikai feltételeinek megfelelő megoldási javaslatot: egy manuálisan működő eszközzel papíralapú fényképeken mért távolságot. Az eszköz segítségével külön lehetett mérni a faanyag és a hézagok hoszszát (Keepers 1945). Egy másik megoldási irány, ami épp a konvertálás közötti mérőszámok pontosítását célozta, szintén mintegy 60-70 évvel ezelőtt vált ismertté (Schnur 1932, Barrett et al. 1941). A modern kor vívmányainak köszönhetően az informatika és elektronikus eszközök is szolgálatba állíthatóak a probléma megoldására. Knyaz és társai 2004-ben publikáltak egy háromdimenziós technikát digitális kamerák és szoftveres képfeldolgozás alkalmazásával (Knyaz et al. 2012). Jelen kutatás célja kettős: egyrészt a korábban említett magas hibát kívánjuk leszorítani 3-5% körüli szintre, faválasztéktól és környezeti tényezőktől függően, másrészt mindkét fél által használható szoftvert és eszközt szeretnénk meghonosítani a fafeldolgozás területén. A rendszert két fő bevetési területre szánjuk. Az első egy fix kamerás rendszer, ahol a szállítójármű mindig ugyanabba a pozícióba
TUDOMÁNY 17 állítható. A másik egy mobil eszköz, ahol a beállítási paraméterek, a távolság, a fókuszpont is változnak. Módszerek Az új fotoanalitikus módszer lényege az a feltételezés, hogy a sarang bütü felőli oldalán a fa korongok felületi részaránya ugyanakkora, mint a tömör anyag részaránya a rakatban. A rakatot a rönkökre merőlegesen képzeletben elvágva egy ugyanolyan metszeti képet kapnánk, mint amit a bütü oldalról láthatunk. Természetesen ennek a síknak a mozgatása kisebb eltérésekkel járna a felületi részarányhoz képest, de ezek az eltérések messze alatta maradnak a jelenleg használt módszerrel összevetve. A kutatás egyik fontos célja, hogy e feltételezésre építve gyakorlatban használható digitális eszközt és feldolgozási módszert készítsen a felületi részarány, és ezáltal a tömör faanyagtartalom meghatározására. Ehhez elsősorban egy nagy felbontású fényképet kell készíteni a rakomány bütü felőli oldaláról. A felbontás milyensége nagymértékben meghatározza a rendszer pontosságát, hiszen nem mindegy, hogy egy pixel mekkora felületért felelős a valóságban. A kutatás kapcsán egy Java nyelven írt program készült, amelynek feladata, hogy tetszőleges digitális fényképfelvétel esetén félautomata vagy automata módon határozza meg a tömör faanyag mennyiségét, amennyiben a képfelbontás eléri vagy meghaladja a program számára szükséges minimális szintet. A kialakított megoldás tehát egy fényképen el tudja különíteni pixelszínek vagy egyéb jellemző tulajdonságok alapján a feldolgozás szempontjából fontos részleteket. A képfeldolgozás folyamata több, jól elkülönített lépésből áll: kamerafelvétel beolvasása, majd a kép léptékhelyessé történő transzformálása, a kép szerkesztése, a releváns terület meghatározása, további szerkesztési lehetőségek, majd a jelentésgenerálás zárja a sort. A program indulásakor automatikusan egy új feldolgozási folyamatot indít. A folyamat során az egyik legfontosabb lépés a transzformáció. Annak a célnak az elérésére, hogy a digitális képet léptékhelyes környezetbe tudjuk illeszteni, egy külön algoritmust használunk. Az eljárás alapja, hogy ismerni kell négy rögzített pontot az adott fényképen, továbbá egy X és egy Y irányú távolságot. Ezek után számítások segítségével létrehozunk egy mátrixot, melyet felhasználva a kép minden egyes pontját áthelyezzük a bekért adatoknak megfelelő pontba. Ha a fényképet ideális módon készítjük el, azaz a sarang pont velünk szemben található, akkor elméletileg csak egyetlen pont van a tényleges helyén, mégpedig a kamera optikájának gyújtópontjával szemben levő. Az összes többi pontra érvényes lesz a lencséből fakadó valamilyen mértékű hordó torzítás, melynek mértéke eltérő a kép különböző részein. A torzítás mértéke a kép széle felé haladva növekszik, ezért a látszólag ideális képet is transzformálni kell, hogy igaz legyen minden egyes pixelére, ugyanakkora fizikai távolságot takar minden pixel, legyen szó a kép közepéről vagy a kép széléről. Fixen telepített rendszer esetén a rendszer kiépítése során mérjük fel és állítjuk be a kamera értékeit és paramétereit. Erre azért van lehetőségünk, mert optimális esetben a képsík, illetve a fókusztávolság nem fog változni egy ilyen rendszer esetén. Itt kell megemlíteni, hogy sajnos a rendszer minimális hibát hordozhat magában a rakomány kamerától való távolsága miatt. Ugyanis a fix rendszer esetén nem mindegy, hogy a rakomány síkja 10 méterre vagy 10,3 méterre van a kamerától, mivel ebben az esetben akár 2-3% körüli hiba is adódhat. Tapasztalataink azt bizonyítják, hogy a sofőrök nagyon pontosan tudják a rakományt pozícionálni, ha akarják, illetve ha rá vannak szorítva. Mobil eszköz esetén a transzformációs paramétereket az adott környezetnek megfelelően kell megadni, így ezek minden egyes feldolgozásnál más és más értéket fognak képviselni. Miután elkészítettük a léptékhelyes képet, további funkciók használatával tudjuk a képet még inkább pontosítani, fókuszálni a mérendő részletre (téglalap vagy sokszög kivágás, zoomolás stb.), majd a léptékhelyes, szerkesztett kép birtokában több algoritmus közül tudunk választani a famennyiség meghatározásához. Minden módszer közös tulajdonsága, hogy segítségükkel a megjelenített képen megállapítható a bütü felületek nagysága. A feldolgozás során a paraméterek kezelő általi változtatására a rendszer valósidejű információt jelenít meg az aktuálisan meghatározott felület nagyságáról. Fontos kihangsúlyozni, hogy itt még csak síkban dolgozunk, azaz nem térfogat értékek, hanem terület értékek jelennek meg. Az RGB módszer használata során az algoritmus mintapontokat kér a felhasználótól. Ezeket a pontokat érdemes és célszerű úgy kiválasztani, hogy a vizsgált sarang bütü felületének valamely pontjára kattintsunk. A rendszer meghatározza a kiválasztott pontok szín koordinátáit és beállítható toleranciahatáron belül a hasonlókat kiválasztja FAIPAR lxi. évf. 2013/1. szám» 2013. március «
18 TUDOMÁNY a képről. Ezek után automatikusan fut az algoritmus, egy ajánlást kapunk a programtól a megadott mintapontok alapján. Amit eredményül kapunk, az egy színezett kép és a számolt eredmények. A képen lila színnel vannak jelölve azok a pixelek, amelyek a megadott kritériumpontnak (illetve tolerancia környezetének) megfelelnek. Eredeti, normál színükkel vannak reprezentálva azon képpontok, melyek nem estek bele a kiválasztásba. Amikor nagyobb százalékos arányban nem jelölt képpontokat az algoritmus, pedig a sarang bütüjéhez tartozik (tipikus példa, hogy a farakás egyik része árnyékos, másik világosabb), akkor választhatunk további referencia pontokat is, melyekhez a program automatikusan generálja az új képet és értéket is. A módszer finomhangolására, az aktuális feldolgozástól függően lehetőségünk van a toleranciahatár változtatására. Egy másik, továbbfejlesztett opció az automatikus RGB módszer. Ennél az algoritmusnál nem kell a felhasználónak semmilyen input paramétert megadni (azaz kattintani a képen), mivel a módszer automata módon feltérképezi a képet, és egy ajánlást ad a bütü felületet jelentő pixelekre (1. ábra). Amennyiben úgy gondoljuk, hogy túl sok vagy túl kevés képpontot jelölt meg, lehetőségünk van finomhangolásra is a fényességi és a kontraszt paraméterek állításával. A módszerek közül a következő választás az egyedi köb módszer. Ezzel a módszerrel kis vonalzókat helyezhetünk el a képen, ami lehetővé teszi, hogy minden farönköt egyedileg mérjünk meg. A vonalzók a rönk átmérőjét jelzik, az adott rönk bütü felületének számításakor szabályos kör alakú területet veszünk alapul (2. ábra). Ez a módszer gyakorlatilag a manuálisan elérhető legpontosabb módszernek az elektronikus megfelelője. Az átlag módszer egy gyors megoldást nyújt a keresett felület becslésére, melyben vízszintes és függőleges vonalzókat helyezhetünk el a képen. Külön átlagoljuk a függőlegesen, és külön a vízszintesen elhelyezett vonalzók hosszát, majd ebből a két értékből egy téglalap alakú területet tudunk számolni (3. ábra). Ez a terület természetesen magában foglalja a rönkök közti üres tereket is, ennek kiküszöbölésére lehetőségünk van megadni a kitöltési tényező értékét. Ez a módszer az aktuálisan használt eljáráshoz hasonlít, annak digitális megfelelője. Miután végeztünk a kép vizsgálatával, lehetőségünk van a kapott eredményeket menteni vagy nyomtatni. További technikai jellegű adatok megadásával egy jegyzőkönyvet készíthetünk. 1. ábra Automatikus RGB módszer szerinti képfeldolgozás Figure 1 Image processing with the method Automatic RGB 2. ábra Egyedi köb szerinti képfeldolgozás Figure 2 Image processing with the method Unique cubic 3. ábra Átlag szerinti képfeldolgozás Figure 3 Image processing with the method Average A program fejlesztése során nagy hangsúlyt fektettünk a kényelmes használhatóságra mind felhasználói, mind fejlesztői oldalról. Az alkalmazás lehetőséget nyújt arra is, hogy az eredmények egy integrált vállalatirányítási rendszerbe kerüljenek. Cél volt, hogy a program felépítése moduláris legyen: általánosan felépített Java osztályok segítségével könnyedén bővíthető a program tetszőleges, a felhasználói interakciót és a feldolgozást biztosító algoritmusokkal. Ez nagyon előnyös a megfelelő módszerek kipróbálásához, beépítéséhez. A program testreszabhatósága különösen a jelentés készítése során indokolt, így kezelése XML alapon történik. A tesztkörnyezet egy fixen rögzített videokamera által elkészített képet olvas be, ezt feldolgozza, majd a kapott eredményeket lokálisan tárolja a programot futtató számítógépen.